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Klimatologie (1/2)
Die ersten Klimaforscher
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830), Entdecker des Treibhauseffekts
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Bild: Joseph Fourier
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Jean Baptiste Joseph Fourrier (1768-1830) gilt als Entdecker des Treibhauseffekts. Er war ein französischer Mathematiker und Physiker. Mit der Fourieranalyse legte er einen Grundstein für den Fortschritt der modernen Physik. Er beschäftigte sich eingehend mit der Wärmeausbreitung in Festkörpern und formulierte das Fouriersche Gesetz. 1822 veröffentlichte er sein wichtigstes Werk Analytische Theorie der Wärme. Hierin prägt er den Begriff l’effet de serre (wörtlich Glashauseffekt).

Klimatologie

Die Klimatologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die die Fachbereiche Meteorologie, Physik, Geologie, Geographie und Ozeanographie vereint. Es werden insgesamt vier Teildisziplinen unterschieden. Während sich die Allgemeine Klimatologie mit der Physik der Atmosphäre beschäftigt, versucht die spezielle Klimatologie Klimaveränderungen auf den Grund zu gehen. Dazu gehört zum Beispiel die Erforschung der Klimageschichte und der Folgen des anthropogenen Klimawandels. Die regionale Klimatologie wendet sich der Erforschung regionaler Effekte zu. Die Angewandte Klimatologie beschäftigt sich schließlich mit der Lösung von Klimaproblemen, zum Beispiel der Anpassung an den Klimawandel.

 

Klimawandel in Zeiten der Industrialisierung

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Woher die Treibhausgase stammen

 
Bild: Industrieschornstein (rauchend)
Industrieprozesse und Kraftwerke tragen weltweit zu ca. 38% zum anthropogenen Klimawandel bei.
(© Landesmedienzentrum BW)
 
Bild: Passagierflugzeug
Beim Flugverkehr entstehen sehr viele Treibhausgase
(© privat, Autor: B. Grießmann)

Besonders klimaschädlich sind Treibhausgase, die in großen Höhen freigesetzt werden. Der immer stärker werdende Flugverkehr trägt erheblich zum Treibhauseffekt bei.

 
Bild: Kühe
Die Viehwirtschaft produziert große Mengen Methan
(© privat, Autor: B. Grießmann)
 
Bild: Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoffkreislauf
(© Public domain, Autor: NASA (verändert))

Kohlenstoffkreislauf der Erde: Die Abbildung zeigt Kohlenstoffspeicher (schwarz) und jährliche Kohlenstoffflüsse zwischen den Speichern (blau). Durch menschliche Aktivitäten kommen pro Jahr etwa 6 Milliarden Tonnen hinzu (rot).

Der aktuelle 5. IPCC-Bericht (2013) stellt die Erwärmung des Klimasystems eindeutig fest und betont den menschlichen Einfluss auf das Klimasystem: Seit der Industrialisierung haben die weltweiten Treibhausgasemissionen zugenommen. Durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Kohle, Öl und Gas ist der Anteil von Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Atmosphäre stark angestiegen. Vor der Industrialisierung lag der Anteil von CO2 in der Atmosphäre konstant bei etwa 280 ppm (engl.: parts per million, dt.: Teile pro Million), heute liegt dieser Wert bei knapp 400 ppm.

Die Industrialisierung ist durch eine sehr schnelle Entwicklung gekennzeichnet. Mit Erfindung der Dampfmaschine wurden große Produktionsflächen möglich. Gebrauchsgüter konnten zunehmend effizienter hergestellt werden. Mit der Weiterentwicklung und Verbesserung von Verkehrswegen war es möglich, die Güter flächendeckend zu verteilen. Die Erfindung der Eisenbahn und des Automobils brachten einen entscheidenden Fortschritt. Doch mussten die neuen Maschinen irgendwie angetrieben werden. Dazu wurden zahlreiche Lagerstätten mit fossilen Brennstoffen erschlossen. Zunächst diente Kohle als wichtigster Energieträger. Später ersetzten Erdöl und Erdgas das „schwarze Gold". Hinzu kam, dass für Haushalte zunehmend elektrische Energie bereitgestellt werden musste. Hierzu wurden große Kraftwerke errichtet, die durch die Verbrennung fossiler Energieträger Strom erzeugen.

CO2-Emissionen durch Erzeugung 1 Kilowattstunde (kWh) Strom

  • ... aus Erdgas: 0,39 kg CO2
  • ... aus Erdöl: 0,87 kg CO2
  • ... aus Steinkohle: 0,83 kg CO2
  • ... aus Braunkohle: 1,05 kg CO2
  • ... im deutschen Strommix: 0,58 kg CO21

Alle fossilen Energieträger haben eines gemeinsam: Bei ihrer Verbrennung werden große Mengen des Treibhausgases CO2 frei. Und genau dieses finden Forscher in immer höherer Konzentration in der Atmosphäre. Allein zwischen 1978 und 2014 stieg die CO2-Konzentration in der Atmosphäre von 340 ppm (engl. für „parts per million", zu deutsch „Teile pro Million") auf rund 400 ppm1. Die jährlichen Emissionen haben sich seit 1970 in etwa verdoppelt.

CO2-Ausstoß durch Autoverkehr

Je nach Kraftstoffart werden pro Volumeneinheit mehr oder weniger Treibhausgase in die Atmosphäre abgegeben:

Bei der Verbrennung von 1 Liter ...

  • ... Diesel entstehen ca. 2,62 kg CO2
  • ... Benzin entstehen ca. 2,32 kg CO2
  • ... Autogas (LPG) entstehen ca. 1,74 kg CO2

Beispiel:

Um die Emissionen von Fahrzeugen mit unterschiedlichen Antriebsstoffen zu vergleichen, müssen die unterschiedlichen Energiedichten der Treibstoffe berücksichtigt werden. Um 100 km weit zu fahren, benötigt ein Fahrzeug beispielsweise 5,6 l Dieselkraftstoff. Dabei werden 14,67 kg CO2 emittiert. Wegen der geringeren Energiedichte von Benzin benötigt ein vergleichbarer Benziner für dieselbe Strecke 6,44 l Benzin und emittiert 14,94 kg CO2. Autogas (LPG) hat wiederum eine niedrigere Energiedichte und ein vergleichbares Fahrzeug benötigt 7,47 l Autogas, um 100 km zurückzulegen. Dabei werden 13,00 kg CO2 emittiert.
Wegen des geringeren Verbrauchs hat das Dieselfahrzeug in diesem Beispiel eine bessere Bilanz als der Benziner, obwohl pro Liter Diesel mehr CO2 emittiert wird als bei Benzin. Die beste CO2-Bilanz hat das Gasauto.

Landwirtschaft als Quelle für Methan und Lachgas

Die Forscher finden nicht nur erhöhte CO2-Konzentrationen. Auch die Methangaskonzentrationen (CH4) sind so hoch wie noch nie. Der globale mittlere Methangehalt der Atmosphäre stieg seit vorindustriellen Zeiten von rund 600 ppb (engl. „parts per billion", zu deutsch „Teile pro Milliarde") auf über 1.800 ppb3. Methan ist ein hoch effektives Klimagas, das 25 mal so stark wirkt wie CO2. Der Methan-Anteil an den gesamten anthropogenen Treibhausgasemissionen beträgt rund 14%.

Die Quelle des Methans war schnell gefunden. Es stammt zu einem großen Teil aus der Viehhaltung. Der Verdauungsprozess von Kühen und Schafen setzt erhebliche Mengen des Klimagases frei. Kühe produzieren bis zu 300 Liter täglich. Ursache sind so genannte methanogene Bakterien, die den Wiederkäuern bei der Verdauung zellulosehaltiger Nahrungsmittel helfen.

Doch auch bei der Produktion von Pflanzen kann Methan entstehen. Methanogene Bakterien kommen nämlich nicht nur im Verdauungstrakt von Kühen und Schafen vor, sondern auch im Schlamm von überstauten Reisfeldern.

Die Methan-Emissionen kommen jedoch nur zum Teil aus der Landwirtschaft. Andere Quellen sind Verwertungsprozesse in Kläranlagen oder Mülldeponien und vor allem die Erdgas verarbeitende Industrie (Leckagen beim Transport, Abfackeln nicht verwertbarer Gase etc.).

Aus der Landwirtschaft stammen weltweit rund 14% der Treibhausgasemissionen. Neben Methan und CO2 entsteht bei landwirtschaftlichen Prozessen vor allem auch das Klimagas Distickstoffoxid (N2O), das umgangssprachlich als Lachgas bezeichnet wird. Gebildet wird es von winzigen Bodenbakterien, die Stickstoffeinträge aus Düngemitteln, Verkehr und Industrie abbauen. Insbesondere feuchte, überdüngte Böden geben mehr Lachgas als andere ab, das in die Atmosphäre gelangt und wegen seiner hohen Klimawirksamkeit mit immerhin rund 8% zum anthropogenen (=vom Menschen verursachten) Klimawandel beiträgt.

Übersicht: Die wichtigsten Treibhausgase

Wasserdampf (H2O) ist ein sehr klimawirksames Treibhausgas. Da seine Konzentration in der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten nicht entscheidend beeinflusst werden kann und die Verweilzeiten sehr kurz sind, wird es aber nicht zu den Treibhausgasen gezählt, die zum anthropogenen Klimawandel beitragen.

Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht durch die Verbrennung fossiler Energieträger wie Öl, Kohle, Erdgas. Es trägt zu rund 57% zum anthropogenen Klimawandel bei und wird erst nach 200 Jahren in der Atmosphäre abgebaut.

Methan (CH4) entsteht durch landwirtschaftliche (Viehhaltung, Reisanbau) und industrielle Prozesse (Leckagen in der Erdgasverarbeitung). Es ist 25-mal klimawirksamer als CO2 und trägt zu rund 14% zum anthropogenen Klimawandel bei.

Lachgas (N2O): Namhafte Lachgas-Emissionen stammen aus der Pflanzendüngung. Lachgas ist 298-mal klimawirksamer als CO2 und trägt zu rund 8% zum anthropogenen Klimawandel bei.

Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) werden als Treibgas, Kälte- und Feuerlöschmittel produziert und sind hoch klimawirksam (bis zu 14.800-mal wirksamer als CO2). Ihre Bedeutung für den Klimawandel nimmt seit Inkrafttreten gesetzlicher Vorschriften ab.


1 Schätzung für 2012. Quelle: Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2012, UBA 07/2013.
2 Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. NOAA.
3
NOAA Earth System Research Laboratory: THE NOAA ANNUAL GREENHOUSE GAS INDEX (AGGI)